1.Состав и механические свойства
Двухкарбидные
твердые сплавы содержат карбиды вольфрама, и титана и называются титановольфрамовыми (группа ТВК или ТК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбида титана TiC, буква К – Co, цифра после буквы К – содержание кобальта, остальное – WC.
Пример расшифровки сплава Т5К10: 5% TiC + 10% Co + 85% WC.
Появление твердых сплавов позволило не только повысить скорости резания за счет их более высокой теплостойкости по сравнению с быстрорежущими сталями (скорость резания твердосплавным инструментом в 5–10 раз выше, чем для инструмента из быстрорежущей стали), но и заметно увеличить период стойкости инструмента, поскольку твердыми сплавы названы именно за их способность противостоять износу. Однако, как ранее, так и ныне существуют определенные ограничения на применение этих материалов для режущего инструмента. Объясняется это основными свойствами твердых сплавов.
Почему металлокерамические?
Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими, т. к. карбиды перечисленных металлов в силу своих строения и свойств нельзя отнести к веществам, которые мы привыкли считать металлом.
Такие материалы обладают высокой твердостью HRA 80–92 (HRCЭ 73–76), износостойкостью и высокой теплостойкостью (до 800–1000°С). По своим эксплутационным свойствам они превосходят инструменты из инструментальных сталей. Однако перечисленные достоинства одновременно являются и их недостатками. Высокая твердость существенно затрудняет обработку сплавов, поэтому возникают сложности изготовления фасонных деталей (режущих кромок). Кроме того, высокая твердость материала сопряжена с низкой прочностью на изгиб и повышенной хрупкостью. По этим характеристикам твердые сплавы уступают сталям.
Свойства твердых сплавов и, следовательно, области их применения зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC), а также соотношения карбидной и связывающей фаз. Регулированием этих факторов можно в определенных пределах менять свойства сплавов.
Классификация твердых сплавов
Металлокерамические твердые сплавы подразделяются на три группы:
I. Однокарбидные сплавы типа ВКЗ, ВК8, ВК15, ВК25. В маркировке В означает карбид вольфрама, К — кобальт, цифра показывает массовую долю кобальта в процентах. Чем выше содержание кобальта, тем меньше хрупкость сплава, хотя при этом понижаются твердость и износостойкость.
II. Двухкарбидные (WС+ ТiС+Со) титано-вольфрамовые сплавы типа ТК (Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4, Т5К12В), представляющие соединения карбидов вольфрама и титана, сцементированных кобальтом. Эти сплавы менее прочны, чем сплавы типа ВК, но они имеют более высокую износостойкость при обработке деталей из различных видов стали.
В обозначении сплавов этой группы цифра, следующая после буквы Т, обозначает примерное содержание в сплаве карбида титана, а цифра после буквы К — содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15% карбида титана, 6% кобальта, а остальные 79% карбида вольфрама.
По сравнению со сплавами группы ВК они имеют повышенную вязкость.
III. Трехкарбидные сплавы системы (WС+ТiС+ТаС+Со). Например, сплав Т7К12 имеет состав: 81% WС+7% (3% ТаС+4% ТiС)+12% Со. Трехкарбидные сплавы имеют повышенную износоустойчивость, вязкость, хорошо сопротивляются вибрациям.
Сплавы первой группы имеют наибольшую прочность, но и более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800°С. Повышенная износостойкость и сопротивляемость ударам сплавов группы ВК делает из привлекательными для обработки древесины.
Сплавы второй группы имеют более высокую теплостойкость (до 900–1000°С) и твердость. Это связано с тем, что карбид вольфрама частично растворяется в карбиде титана при температуре спекания с образованием твердого раствора (Ti, W)С, имеющего более высокую твердость, чем WC. Структура карбидной фазы зависит от соотношения WC и TiC в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (Ti, W)С, который придает сплаву максимальную твердость (HRA 92), но пониженную прочность. В остальных сплавах этой группы количество WC превышает растворимость в TiС, поэтому карбиды вольфрама в них присутствуют в виде избыточных частиц.
В сплавах третьей группы структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W)С и избыток WC. Сплавы этой группы отличаются от предыдущей большей прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.
Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья — основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки — никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15–17% Ni и 7–9% Mo соответственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16–30%. Концентрация молибдена составляет 5–9%, остальное — также карбид титана.
Твердость подобных твердых сплавов составляет 87–94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента.
2. Коротко о технологии получения
Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550°С в защитно
Порошки получают различными способами. Название порошка указывает на способ его получения. Карбонильный порошок получают термическим разложением карбонильных соединений металлов; электролитический — электролитическим соединением из растворов или расплавов солей; осажденный порошок — химическим осаждением; распыленный порошок — распылением расплавленного металла или сплава; вихревой порошок — разломом металла в вихревых мельницах.
Большинство порошков состоит из гранул — частиц, имеющих сфероидальную форму, — гранулированный порошок.
Изделия из порошка производят следующим образом. Сначала проводят формование. Для этого в приготовленный порошок вводят связующий металл — это связка между частицами основной тугоплавкой фазы — и активизирующую добавку, которая ускоряет дальнейший процесс спекания. Чтобы облегчить формование, вводят пластификатор — пластичное вещество, способствующее уплотнению и упрочнению формовок. В процессе формования заготовкам из порошка придают форму, размеры, плотность и механическую прочность, необходимые для последующего изготовления изделий. Обычно формование проводят прессованием на механических или гидравлических прессах.
Спекание может происходить без образования жидкой фазы — твердофазное спекание, с образованием жидкой фазы — жидкофазное спекание. В результате получается спеченный материал или спеченное изделие.
Спекание изделий проводят в различных печах (пламенных, электрических) индукционным нагревом — непосредственным пропусканием электрического тока через спекаемое изделие. Для защиты поверхности изделия от окисления применяют защитные атмосферы или вакуумные печи.
Чтобы избежать коробления изделия, спекание проводят с одновременным приложением давления — спекание под давлением. Часто получают изделия методом горячего прессования — одновременное прессование и спекание порошков. Прессование проводят на механических, гидравлических либо газостатических прессах. Давление и температуру выбирают, исходя из свойств порошков и назначения изделий.
Чтобы повысить прочность изделий, в порошки вводят специальный армирующий материал (упрочняющие стержни, волокна, проволоку, сетку), а затем подвергают спеканию. В результате получают армированный спеченный материал.
3. Основные физико-механические свойства твердых сплавов
| Марка сплава | МПа, не менее | p, г/см куб. | HRA, не менее | Область применения |
| ВК3 | 1176 | 15,0-15,3 | 89,5 | Чистовая и окончательная обработка (точение, нарезание резьбы, размерная обработка отверстий и др.) серого чугуна, цветных металлов и сплавов и неметалических метериалов |
| ВК3-М | 1176 | 15,0-15,3 | 91 | Чистовая и окончательная обработка (точение, рестачивание, нарезание резьбы, развертывание) твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных закаленных сталей |
| ВК4 | 1519 | 14,9-15,2 | 89,5 | Черновая обработка при неравномерном сечении среза (точение, фрезерование, растачивание, рассверливание, зенкерование)при обработке чугуна, цветных металлов и сплавов, титана и его сплавов |
| ВК6 | 1519 | 14,6-15,0 | 88,5 | Черновая и получистовая обработка (точение, нарезание резьбы резцами, фрезерование, рассверливание, зенкерование отверстий) серого чугуна, цветных металлов и их сплавов |
| ВК8 | 1666 | 14,4-14,8 | 87,5 | Черновая обработка при неравномерном сечении среза и прерывистом резании серого чугуна, цветных металлов и их сплавов, коррозионно-стойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов (точение, строгание, фрезерование, сверление, зенкерование) |
| Т30К4 | 980 | 9,5-9,8 | 92,0 | Чистовая обработка незаколенных и закаленных углеродистых сталей (точение, нарезание резьбы, развертывание) |
| Т15К6 | 1176 | 11,1-11,6 | 90,0 | Получистовое точение (непрерывное резание), чистовое точение (прерывистое резание), нарезание резьбы резцами и вращающимися головками, получистовое и чистовое фрезерование сплошных поверхностей, растачивание, чистовое зенкерование, развертывание при обработке углеродистых и легированных сталей |
| Т14К8 | 1274 | 11,2-11,6 | 89,5 | ТО же, что для сплава Т15К6, а также черновая обработка при неравномерном сечении и непрерывном резании |
| Т5К10 | 1421 | 12,4-13,1 | 88,5 | Черновое точение и фрезерование при неравномерном сечении и прерывистом резании, фасонное точение, отрезка резцами, чистовое строгание и другие виды обработки углеродистых и легированных сталей, преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине |
| Т5К12 | 1666 | 13,1-13,5 | 87,0 | Тяжелое черновое точение при неравномерном сечении стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковонами при наличии песка, шлака и др.; все виды строгания, сверления углеродистых и легированных сталей |